ნატო ობოლაძე
16 ქვეყნის 55 სამეცნიერო კვლევითი ინსტიტუტის 250-მდე მეცნიერი KM3NeT პროექტის ფარგლებში „სამყაროს ახალ ფანჯარას ხსნის“. პროექტში საქართველოდან თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტის პროფესორი რევაზ შანიძე და დოქტორანტები — გოგიტა პაპალაშვილი და გიორგი ქისტაური მონაწილეობენ. KM3NeT ხმელთაშუა ზღვის ფსკერზე, უახლესი ტექნოლოგიების გამოყენებით, ახალი თაობის ნეიტრინოს 2 ტელესკოპის აწყობას ითვალისწინებს.
კუბური კილომეტრის სიდიდის ნეიტრინოს ორი ტელესკოპი — ARCA და ORCA — ხმელთა შუა ზღვაში, 2500 მეტრის სიღრმეზე, ორ ლოკაციაზე — საფრანგეთთან და იტალიასთან — წყალქვეშ მონტაჟდება. ტელესკოპები ათეულობით ციფრულ-ოპტიკური მოდულისგან შედგება, რომელიც მეცნიერების მიერ აღიარებული ერთ-ერთი ყველაზე „უცნაური“ ნაწილაკის — ნეიტრინოს შესწავლისთვის გამოიყენება. ამ ეტაპზე საფრანგეთის სანაპიროებთან ტელესკოპის 10%-ია ჩაშვებული, იტალიასთან — 5%. ქართველი მეცნიერები, როგორც ციფრულ-ოპტიკური მოდულების ტესტირების პროცესში, ასევე უკვე ჩაშვებული მოდულებიდან მიღებული მონაცემების დამუშავებაზე ბოლო რამდენიმე წელია მუშაობენ.
ამ დროისთვის KM3NeT-ის ახალგაზრდა ქართველი მკვლევრები — გოგიტა პაპალაშვილი და გიორგი ქისტაური კვლევითი ვიზიტით მარსელის ნაწილაკების ფიზიკის ცენტრში იმყოფებიან. ცენტრში ასევე მუშაობენ კოლაბორაციაში მონაწილე პოლონელი, ფრანგი, რუმინელი, გერმანელი, იტალიელი მეცნიერები.
„პანდემიის გამო, ძირითადად, დისტანციურად საქართველოდან ვმუშაობდით. ახლა უკვე ორი კვირაა მარსელში კვლევითი ვიზიტით ვიმყოფებით. ამ დროისთვის ჩვენ ვმუშაობთ ნეიტრინოს ტელესკოპიდან მიღებული მონაცემების ანალიზისა და ზღვაში ჩასაშვებად ციფრულ-ოპტიკური მოდულების აწყობა-ტესტირების მიმართულებებით. ეს ვიზიტი, ფაქტობრივად, გარკვეული ეტაპის შემაჯამებელია და დამატებით, ადგილზე ვეცნობით პროექტის ფარგლებში მიმდინარე კვლევის პროცესს,“ — აცხადებს თსუ-ის დოქტორანტი გიორგი ქისტაური.
KM3NeT-ის ექსპერიმენტს ორი ამოცანა აქვს — ნეიტრინო თვისებების დადგენა და მისი საშუალებით ასტროფიზიკური კვლევა. შესაბამისად, იტალიასთან განთავსებული ტელესკოპი ასტროფიზიკის, საფრანგეთთან კი — ნაწილაკების ფიზიკის მიმართულებით გამოიყენება.
უნივერსიტეტელი მეცნიერები ნეიტრინოს ნაწილაკების ფიზიკის მიმართულებით იკვლევენ.
პროექტის ჯამური ღირებულება 200 000 000 ევროს შეადგენს.
„ფუნდამენტურ ფიზიკაში ჩვენი წარმოდგენები თავმოყრილია თეორიაში, რომელსაც ეწოდება „სტანდარტული მოდელი“. ამ თეორიაში რამდენიმე ფუნდამენტური ნაწილაკია, მათ შორის ერთ-ერთი არის ნეიტრინო, რომელიც ყველაზე ცუდად არის შესწავლილი და შესაძლებელია, რომ მისი თვისებები „სტანდარტულ მოდელში“ არ ჯდებოდეს, სწორედ, ამიტომ შეიქმნა მის შესასწავლად მსოფლიოში ერთ-ერთი ყველაზე დიდი სამეცნიერო კოლაბორაცია და გამოიყო უზარმაზარი თანხები“, — განმარტავს რევაზ შანიძე.
როგორ ხსნის KM3NeT სამყაროს ახალ ფანჯარას?
გასაღები ნეიტრინოა. უმცირესი ნაწილაკი, რომელიც ვარსკვლავის გულში მიმდინარე თერმობირთვული რეაქციებისას წარმოიქმნება, ვრცელდება სწორხაზოვნად, სუსტად ურთიერთქმედებს სხვა ნივთიერებებთან, რის გამოც წარმოქმნისას მიღებულ თვისებებს არ კარგავს და იმ ინფორმაციის მატარებელია, რომელიც მეცნიერებს სამყაროს შესახებ ახალი მონაცემების მიღებისა და კვლევის საშუალებას აძლევს. ნეიტრინოს საშუალებით შესაძლებელია სამყაროში მიმდინარე რთულ პროცესებზე დაკვირვება, მაგალითად ზეახალი ვარსკვლავის აფეთქების ან აქტიური გალაქტიკების ბირთვების შესწავლა.
„ეს ყველაზე უცნაური ნაწილაკია. ერთადერთია, რომელსაც შეუძლია ვარსკვლავის გულიდან წამოვიდეს და იქ მიმდინარე რეაქციებზე ინფორმაცია მოგვიტანოს. მზის ნეიტრინოებს ჩვენი ექსპერიმენტისთვის ძალიან დაბალი ენერგიები აქვს, თუმცა მისი დაფიქსირება სხვა ექსპერიმეტებში გახდა შესაძლებელია, რადგან ფიზიკოსებმა მისი გაზომვა შეძლეს. ეს არის ნაწილაკი, რომელსაც ზუსტად შეუძლია გვითხრას, თუ როგორ ხდება ვარსკვლავის გულში ენერგიის წარმოქმნა, ზეახალი ვარსკვლავის აფეთქება, მაღალი ენერგიების კოსმოსური სხივების აჩქარება. კოსმოსიდან მოსული ნეიტრინოს „დაჭერით“ და მასზე დაკვირვებით სამყაროს შესასწავლად ახალი ფანჯრის განხსნა შეგვიძლია. ასეც ჰქვია ამ პროექტს — „KM3NeT opens a new window on our universe“,- აცხადებს რევაზ შანიძე.
ნეიტრინოს ტელესკოპის მიზანი სწორედ, ამ უმცირესი ნაწილაკის „დაჭერა“ და დაკვირვება-შესწავლაა. სტანდარტული ტელესკოპებისგან განსხვავებით ის არა -ცისკენ, არამედ საპირისპირო მიმართულებით „იყურება“.
„ჩვენი ექსპერიმენტის ფარგლებში ნეიტრინოს ტელესკოპის ფუნქციაა, დავაკვირდეთ ნეიტრინოს ქცევას, რომელსაც შეუძლია გაიაროს მთელი დედამიწა. ტელესკოპი განთავსებულია წყალში 2500 მეტრის სიღრმეზე, რადგან აქ არის ის პირობები, რომელიც საშუალებას იძლევა შევისწავლოთ ის ნაწილაკები, რომელიც ნეიტრინომ გააჩინა. სხვას არაფერს არ შეუძლია წარმოქმნას ნაწილაკი, რომელიც დედამიწიდან ამოვა. ნეიტრინოს მიერ წარმოქმნილ დამუხტულ ნაწილაკებს აქვთ ძალიან სუსტი, მკრთალი გამოსხივება, რასაც ჩერენკოვის გამოსხივებას ვუწოდებთ. ტელესკოპის ციფრულ-ოპტიკური მოდულების საშუალებით ამ გამოსხივებას ვაკვირდებით, აღვადგენთ გამოსხივების წყაროს — ნაწილაკის ტრაექტორიას (კვალს), რომელიც დიდი სიზუსტით ნეიტრინოს ტრაექტორიას იმეორებს. მიღებული ინფორმაციის საფუძველზე განვსაზღვრავთ, თუ საიდან მოდის ნეიტრინო და რა ინფორმაციის მატარებელია,“ — განმარტავს რევაზ შანიძე.
საერთაშორისო სამეცნიერო კოლაბორაციის ქსელი
ხმელთაშუა ზღვის ფსკერზე დამონტაჟებული ტელესკოპის მიერ დაფიქსირებული მონაცემები პირველ ეტაპზე საფრანგეთის სანაპიროზე, ქალაქ ტულონის მახლობლად განთავსებულ ექსპერიმენტის მართვის ცენტრში მიდის, საიდანაც უკვე გაფილტრული ინფორმაცია ლიონში განთავსებულ კომპიუტერულ ცენტრში იგზავნება. ლიონის კვლევითს ცენტრი მიღებული მონაცემების დამუშავების ყველაზე დიდი რესურსი აქვს, შესაბამისად KM3NeT პროექტში ჩართული მეცნიერების მთავარი სამუშაო კომპიუტერული სივრცე ლიონშია.
თუმცა, მკვლევრებს ლიონში განთავსებული სერვერებიდან მონაცემების ჩამოტვირთვა და დამუშავება საკუთარ ქვეყნებში, შესაბამის მძლავრ კომპიუტერულ სერვერზეც შეუძლიათ. შოთა რუსთაველის ეროვნული სამეცნიერო ფონდის გრანტის ფარგლებში განხორციელებული სამუშაობის შედეგად, მონაცემთა გადამუშავება ქართველმა მეცნიერებმა თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტშიც შესაძლებელი გახადეს. ახალმა ცენტრმა, განსაკუთრებით პანდემიის პირობებში დაწესებული გადაადგილების შეზღუდვების გათვალისწინებით, ქართველი მეცნიერების ექსპერიმენტში ჩართულობის ეფექტიანობა გაზარდა.
„KM3NeT-ის სრული წევრები 2018 წლიდან გავხდით და მონაცემების ანალიზის გაკეთება ლიონის კომპიუტერულ ცენტრში გვიწევდა. შოთა რუსთაველის ეროვნული სამეცნიერო გრანტის მიღების შედეგად შევიძინეთ მძლავრი სერვერი და მონაცემების ანალიზი თბილისში გავაგრძელეთ. თუმცა, ცხადია ლიონის ცენტრალურ კომპიუტერულ სერვერსაც ვიყენებთ.
ჩვენი სერვერი იმეორებს იგივე სტრუქტურას, რაც ლიონშია. პროგრამული თვალსაზრისითაც ვეცადეთ მაქსიმალურად მიმსგავსებული ყოფილიყო. მე არ ვარ სპეციალობით პროგრამისტი, ამიტომ ბევრი რამის სწავლა მომიწია, თუმცა სისტემა გავმართე და ადმინისტრირებას ვუწევ. სისტემა „იუპიტერ ჰაბი“ საშუალებას იძლევა, რომ სერვერს ნებისმიერი ადგილიდან დავუკავშირდეთ. ამ დროისთვის მასში ჩართულია 42 მომხმარებელი, მათ შორის არიან ფუნდამენტური ფიზიკის მიმართულების მაგისტრანტები, რომლებსაც ნაწილაკების ფიზიკა აქვთ არჩეული და საშუალება აქვთ სასწავლო-კვლევით პროცესში უახლესი მონაცემები გამოიყენონ,“ — ამბობს თსუ დოქტორანტი გოგიტა პაპალაშვილი.
კვლევის ახალი შედეგები
ამ დროისთვის საფრანგეთის სანაპიროებთან ტელესკოპის 10%-ია ჩაშვებული, იტალიასთან — 5%. შესაბამისად, მეცნიერების ძირითად ამოცანას ჩაშვებული ციფრულ-ოპტიკური მოდულების ეფექტიანობაზე დაკვირვება წარმოადგენს.
„იმ მონაცემებზე დაყრდნობით, რომლებსაც თბილისის მონაცემთა ცენტრში, ვაანალიზებდით, დავასკვენით, ჩაშვებული მოდულების ფოტო-დეტექტორებიდან ზოგიერთი იმდენად ცუდად ფუნქციონირებს, რომ უნდა გამოვრთოთ. ჩვენი რეკომენდაციების საფუძველზე აღნიშნული დეტექტორები პროცესიდან ჩახსნეს. პრიორიტეტული ამოცანა იყო გვეჩვენებინა, რომ ტექნოლოგიურად ახალ პრინციპზე დამყარებული დეტექტორები ადეკვატურად მუშაობს და დაკისრებულ ფუნქციას ასრულებს. აღნიშნულ კვლევებზე დაყრდნობით რამდენიმე სამეცნიერო პუბლიკაცია უკვე გამოვაქვეყნეთ.
ვაჩვენეთ, რომ წყალში ჩაშვებული მოდულები ზღვის ფონის მოშორების საშუალებას იძლევა და გვაძლევს შესაძლებლობას დავაკვირდეთ კოსმოსურ ატმოსფერულ ნაწილაკებს და ამ გზით ნეიტრინოების თვისებები შევისწავლოთ. ჩვენ კონკრეტულად ვიკვლევთ ნეიტრინოების ოსცილაციებს (ნეიტრინოს ტიპის ცვლილებას მოძრაობის დროს) და შედეგები დამაიმედებელია, ანუ როდესაც დეტექტორი სრული სიმძლავრით ამოქმედდება, მივიღებთ რეალურ შედეგებს,“ — განმარტავს რევაზ შანიძე.
პარალელურად KM3NeT პროექტში ჩართული ქართველი მეცნიერები მიღებულ მონაცემებზე დაყრდნობით მიუონოს დაშლების რეკონსტრუქციაზე მუშაობენ და მათ აღდგენას გეგმავენ. მკვლევრები პროგნოზირებენ, რომ ამ ამოცანის გადაჭრის შემთხვევაში ექსპერიმენტის შესაძლებლობები მნიშვნელოვნად გაიზრდება.
ნეიტრინოს ტელესკოპის „წინაპარი“
ახალი თაობის ნეიტრინოს ტელესკოპის წინამორბედი იყო "ANTARES“, რომელიც ასევე საფრანგეთის სანაპიროებთან იყო ჩაშვებული.თსუ-ის ფიზიკოსთა ჯგუფი ამ პროექტშიც აქტიურად მონაწილეობდა. თუმცა, "ANTARES“ როგორც ტექნოლოგიურად, ისე მასშტაბის კუთხითაც ახალი თაობის ნეიტრინოს ტელესკოპს ბევრად ჩამორჩება, შესაბამისად, მეცნიერებმა მისი გამორთვის გადაწყვეტილება მიიღეს.
„ამ დეტექტორის ზღვაში დატოვება არ შეიძლება, რადგან საკმაოდ მასიურია და თანაც ისეთ ადგილზე, სადაც შესაძლოა მისმა ნაწილებმა ნავიგაციის უსაფრთხოებას საშიშროება შეუქმნას. აქედან გამომდინარე, უახლოეს მომავალში დაგეგმილია სამეცნიერო ფორუმი, სადაც „ANTARES“-ის წყლიდან ამოღების სტრატეგია შემუშავდება,“ — განმარტავს რევაზ შანიძე.
თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი KM3NeT-ის საერთაშორისო კოლაბორაციაში 2018 წლიდან ჩაერთო.